DE3438221A1 - Carbon electrodes, especially microelectrodes made of carbon fibres - Google Patents
Carbon electrodes, especially microelectrodes made of carbon fibresInfo
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Mikroelektroden, und zwar sowohl Information aufnehmende "Sensorelektroden" wie auch "Zuführungselektroden", sind vor allem im Bereich der Biologie und Medizin (C.D. Ferris, Introduction to Bioelectrodes, Plenum Press, 2. Aufl., New York, 1977) von großer Bedeutung -sie erlauben im Extremfall Messungen bzw. gezielte Zuführung elektrischer Signale zu einer einzelnen lebenden Zelle.Microelectrodes, both information receiving "sensor electrodes" as well as "lead electrodes", are mainly used in biology and medicine (C.D. Ferris, Introduction to Bioelectrodes, Plenum Press, 2nd ed., New York, 1977) of great importance - they allow measurements or targeted delivery in extreme cases electrical signals to a single living cell.
Herkömmliche Mikroelektroden bestehen als "Zuführungselektroden" (also strombelastete Elektroden, z.B. auch für Leitfähigkeitsmessungen oder in amperometrischen Sensoren) im allgemeinen aus Metallspitzen. Herkbmmliche miniaturisierte potentiometrische Sensoren bestehen im allgemeinen aus einem Mikrosensor, der über eine dünne, mit Elektrolyt gefüllte Kapillare mit dem Meßort verbunden ist.Conventional microelectrodes exist as "lead electrodes" (i.e. Current-loaded electrodes, e.g. also for conductivity measurements or in amperometric Sensors) generally made of metal tips. Conventional miniaturized potentiometric Sensors generally consist of a microsensor, which has a thin, with Electrolyte-filled capillary is connected to the measuring location.
Herkömmliche Mikroelektroden haben gegenüber den erfindungsgemäßem Mikroelektroden erhebliche Nachteile. Die herkömmlichen Zuführungselektroden aus Metall können kaum "chemisch modifiziert" werden, d.h. kaum haltbar mit spezifisch wirksamen elektroaktiven Materialien belegt werden, weil eine dauerhafte Belegung das Vorhandensein kovalent gebundener funktioneller Gruppen an der Elektrodenoberfläche erfordert (R.M.Murray, Acc.Conventional microelectrodes have compared to those according to the invention Microelectrodes have significant disadvantages. The conventional lead electrodes Metal can hardly be "chemically modified", i.e. hardly durable with specific effective electroactive materials are occupied because a permanent occupancy the presence of covalently bound functional groups on the electrode surface requires (R.M. Murray, Acc.
Chem. Res., 13 (1980) 135).Chem. Res., 13 (1980) 135).
Herkömmliche miniaturisierte potentiometrische Sensoren mit elektrolytgefüllter Kapillare haben extrem hohe ohmsche Widerstände in dieser Kapillare (MOhm-Bereich).Conventional miniaturized potentiometric sensors with electrolyte-filled Capillaries have extremely high ohmic resistances in this capillary (MOhm range).
Außerdem führt die relativ hohe Kapazität der die Innen- und Außenlösung trennenden Wand der Kapillare zu einer "kapazitiven Kopplung", die es nicht mehr erlaubt, schnelle Änderungen der interessierenden elektrochemischen Potentialdifferenzen zu messen. Gerade schnelle Änderungen der elektrochemischen Potentialdifferenzen müssen aber für viele Fragestellungen (z.B.Also, the relatively high capacity of the indoor and outdoor solution leads to it separating wall of the capillary a "capacitive coupling" that it no longer allows rapid changes in the electrochemical of interest Measure potential differences. Just rapid changes in the electrochemical However, potential differences must be used for many questions (e.g.
Potentialantwort auf Stimulationsimpuls) gut meßbar sein. Die Kombination von großen ohmschen Widerständen sowie einer großen "Shunt"-Kapazität beeinflußt auch das Signal/Rauschverhältnis solcher herkömmlicher Sensoren sehr ungünstig (B.W.Watson (Hrsg.) IEE Medical Electronics Monographs 1-6, Peregrinus, London, 1974, S. 7-12). Es besteht zwar die Möglichkeit, durch spezielle Verstärker eine Verbesserung zu erreichen, diese Verbesserung des Signal/Rauschverhältnisses geht aber zu Lasten der Ansprechzeit, so daß letztlich für die Potentialmessung die Alternative "langsam oder verrauscht" besteht.Potential response to stimulation impulse) must be easily measurable. The combination influenced by large ohmic resistances and a large "shunt" capacitance the signal / noise ratio of such conventional sensors is also very unfavorable (B.Watson (Ed.) IEE Medical Electronics Monographs 1-6, Peregrinus, London, 1974, pp. 7-12). There is indeed the possibility of an improvement through special amplifiers achieve, but this improvement in the signal-to-noise ratio is at the expense the response time, so that ultimately the alternative "slow" for the potential measurement or noisy ".
Die Erfindung betrifft Kohlenstoffelektroden, die durch Interkalationsreaktionen vorbehandelt und damit in ihrer Eigenschaft weit verändert werden, so daß diese in der Lage sind elektrochemisch aktive Materialien wesentlich besser als nicht vorbehandelte Kohlenstoffelektroden aufzunehmen.The invention relates to carbon electrodes by intercalation reactions pretreated and thus widely changed in their properties, so that these Electrochemically active materials are capable of doing much better than they are not take up pretreated carbon electrodes.
Interkalationsreaktionen von Kohlenstoffelektroden sind Reaktionen, bei denen sich zwischen die die Kristallstruktur des Graphits, bzw. "schwarzer leitender Kohlenstoffe" bildenden Kohlenstoffebenen sog.Intercalation reactions of carbon electrodes are reactions in which between the the crystal structure of graphite, or "black conductive So-called carbons "forming carbon levels.
~Gastmoleküle bzw. Gastionen" einschieben. Solche Reaktionen sind im allgemeinen weitgehend umkehrbar (Deinterkalation); allerdings wird der Ausgangszustand des sog. "jungfräulíchen" Kohlenstoffmaterials bei der Deinterkalation niemals ganz erreicht. Das liegt einmal daran, daß aus statistischen und kinetischen Gründen eine totale Entfernung der Gäste in absehbarer Zeit nicht möglich ist, zum anderen aber auch an irreversiblen Änderungen der Morphologie und Struktur der Kohlenstoffmaterialien. So werden durch die Interkalation auch irreversible Gitterdefekte erzeugt, die wiederum durch große chemische Reaktivität ausgezeichnet sind. Durch mehrfache Wiederholung des Interkalations/Deinterkalationsvorgangs läßt sich die Zahl dieser reaktiven Defekte noch erheblich steigern.~ Insert guest molecules or guest ions ". Such reactions are generally largely reversible (deintercalation); however, the initial state is of the so-called "virgin" carbon material never completely during deintercalation achieved. This is due to the fact that for statistical and kinetic reasons a total removal of the guests in the foreseeable future not possible is, on the other hand, irreversible changes in morphology and structure of carbon materials. Intercalation also makes them irreversible Lattice defects are generated, which in turn are distinguished by great chemical reactivity are. By repeating the intercalation / deintercalation process several times, the number of these reactive defects increase considerably.
Im Verlauf von Interkalationsreaktionen weitet sich grundsätzlich der Abstand zwischen den Kohlenstoffebenen auf den zur Aufnahme der Gäste erforderlichen Wert aus. Diese Ausweitung in der Mikrostruktur führt zwangsläufig zu Änderungen der Morphologie, insbesondere polykristalliner Kohlenstoffmaterialien. Dabei wird vor allem die Porosität ehemals dichter Kohlenstoffmaterialien erhöht; außerdem steigert sich die Rauhigkeit ihrer Oberfläche. Aufgrund des meist langsamen Vordringens der Reaktionsfront im Verlauf von Interkalationsreaktionen lassen sich leicht Kohlenstoffkörper erhalten, die aus einem Kern von nicht interkaliertem Material umgeben von einer Schicht aus interkaliertem Material bestehen.In the course of intercalation reactions it basically widens the distance between the carbon planes at the levels required to accommodate the guests Value. This expansion in the microstructure inevitably leads to changes the morphology, especially polycrystalline carbon materials. It will especially increases the porosity of previously dense carbon materials; aside from that the roughness of its surface increases. Due to the mostly slow advance the reaction front in the course of intercalation reactions can easily be carbon bodies obtained from a core of non-intercalated material surrounded by a Consist of a layer of intercalated material.
Eine weitere Konsequenz von Interkalationsreaktionen kann die Einführung sog. "funktioneller Gruppen", also kovalenter chemischer Bindungen, zu anderen Atomen als Kohlenstoff sein. Solche funktionellen Gruppen werden in Neben- bzw. Folgereaktionen dann gebildet, wenn - insbesondere im fortgeschrittenen Stadium der Interkalationsreaktion - die zunächst nur ionischen Wechselwirkungen zwischen Kohlenstoffebenen und Gästen zu kovalenten Wechselwirkungen werden. Eine ganz besonders große Zahl von Defekten läßt sich durch sog.Another consequence of intercalation reactions can be introduction so-called "functional groups", i.e. covalent chemical bonds to other atoms than be carbon. Such functional groups are in secondary or subsequent reactions formed when - especially in the advanced stage of the intercalation reaction - the initially only ionic interactions between carbon planes and guests become covalent interactions. A particularly large number of defects can be through so-called.
"Überoxidation von graphitartigen Kohlenstoffmaterialien erzielen, da bei diesen vor allem in wasserhalti- gen Schwefelsäuren ausführlich beschriebenen Reaktionen (J.O. Besenhard und H.P. Fritz, Angew. Chem., 95 (1983) 954) die Kohlenstoffebenen in großem Umfang durch kovalente Bindungen zu Sauerstoff verändert werden. Sofern diese kovalenten Bindungen zu Sauerstoff-und Kohlenstoffatomen an Schichträndern bzw. Gitterdefekten ausgebildet werden, handelt es sich um sog."Achieve overoxidation of graphitic carbon materials, since these mainly contain water on sulfuric acids in detail reactions described (J.O. Besenhard and H.P. Fritz, Angew. Chem., 95 (1983) 954) the carbon planes to a large extent through covalent bonds to oxygen to be changed. Provided these are covalent bonds to oxygen and carbon atoms are formed at layer edges or lattice defects, it is so-called.
~funktionelle Gruppen". Im Gegensatz zu den leicht umkehrbaren Interkalationsreaktionen erfordert die Entfernung funktioneller Gruppen zum Teil drastische Reduktions- bzw. Oxidationsmittel.~ functional groups ". In contrast to the easily reversible intercalation reactions the removal of functional groups sometimes requires drastic reduction or Oxidizing agent.
Da die durch Interkalation/Deinterkalation vorbehandelten Kohlenstoffmaterialien aufgrund unvollständiger Deinterkalation und durch die Ausbildung von funktionellen Gruppen, die selbst elektrochemisch aktiv sind (z.B. oxidierend wirken nach oxidativer Interkalation und unvollständiger Deinterkalation oder pH-sensitiv sind aufgrund sauerstoffhaltiger funktioneller Gruppen) schien eine Anwendung solcher Materialien als "inerte Matrix" für andere ein- oder aufzubringende elektrochemisch aktive Systeme bisher wenig sinnvoll. Es hat sich aber gezeigt, daß durch geeignete Nachbehandlung die unerwünschte elektrochemische Aktivität der durch Interkalation vorbehandelten Kohlenstoffmaterialen weitgehend beseitigt werden kann. Die verbleibende Restaktivität kann im allgemeinen hingenommen werden, da sie vom dominanten Einfluß der ein- bzw. aufgebrachten elektrochemisch aktiven Systeme verdeckt wird.Since the carbon materials pretreated by intercalation / deintercalation due to incomplete deintercalation and the development of functional Groups that are themselves electrochemically active (e.g. oxidizing effect after oxidative Intercalation and incomplete deintercalation or pH-sensitive are due to oxygen-containing functional groups) appeared to be an application of such materials as an "inert matrix" for other electrochemically active systems to be introduced or applied so far not very useful. It has been shown, however, that by means of suitable aftertreatment the undesirable electrochemical activity of those pretreated by intercalation Carbon materials can be largely eliminated. The remaining activity can generally be accepted, as it depends on the dominant influence of the one resp. applied electrochemically active systems is covered.
Für hochorientierte Kohlenstoffasern, die durch oxidative Interkalation/reduktive Deinterkalation in 96% Schwefelsäure vorbehandelt wurden (siehe Ausführungsbeispiel 1) hat sich z.B. die nachfolgend Reduktion in einmolarer Perchlorsäure (5 Minuten, Potential genügend negativ, um die Entwicklung von Wasserstoffgas zu ermöglichen) ebenso wie eine Rcduk- tion mit n-Butyllithium gelöst in n-Hexan bewährt.For highly oriented carbon fibers produced by oxidative intercalation / reductive Deintercalation were pretreated in 96% sulfuric acid (see embodiment 1), for example, the following reduction in one molar perchloric acid (5 minutes, Potential negative enough to allow the development of hydrogen gas) as well as a Rcduk- tion with n-butyllithium dissolved in n-hexane proven.
Solche Nachbehandlung senken z.T. die pH-Sensitivität der Kohlenstoffasern drastisch.Such aftertreatment sometimes reduces the pH sensitivity of the carbon fibers drastic.
Kohlenstoffasern zeichnen sich vor anderen Kohlenstoffmaterialien bei der Vorbehandlung durch Interkalationsreaktionen dadurch aus, daß ihre mechanische Stabilität wenig beeinträchtigt wird. Dieser überraschende Effekt ist offenbar eine Folge der "verdrillten" Anordnung von Paketen von Kohlenstoffebenen in solchen Fasern; dadurch wird ein Ausblättern im Verlauf von Interkalationsreaktionen vermieden. Die mechanischen Eigenschaften von Kohlenstoffasern sind zum Teil sensationell günstig (sie übertreffen in mancher Hinsicht die von Stählen), auch nach der Vorbehandlung durch Interkalationsreaktionen verbleiben somit mechanisch hochfeste Materialien.Carbon fibers stand out from other carbon materials in the pretreatment by intercalation reactions in that their mechanical Stability is little affected. This surprising effect is apparently one The consequence of the "twisted" arrangement of packets of carbon planes in such fibers; this avoids leafing out in the course of intercalation reactions. Some of the mechanical properties of carbon fibers are sensationally favorable (they surpass those of steels in some respects), even after pretreatment mechanically high-strength materials remain as a result of intercalation reactions.
Gelegentlich sind durch Interkalation vorbehandelte Kohlenstoffmaterialien für gewisse Anwendungen bereits ohne weitere Nachbehandlung verwendbar. So stellt eine nach Ausführungsbeispiel 1 vorbehandelte hochorientierte Kohlenstoffaser einen elektrochemischen pH-Sensor dar. Eine Vorbehandlung hochorientierter Kohlenstoffasern nach Ausführungsbeispiel 1 führt auch zu einer erheblichen Steigerung des hydrophilen Charakters dieser Fasern. Die so erzielbare bessere Benetzbarkeit in Elektrolytlösungen ist z.B. für die Konstruktion von Leitfähigkeitsensoren oder für die Konstruktion von Stimulationselektroden von Vorteil.Occasionally there are carbon materials pretreated by intercalation can be used for certain applications without further treatment. So poses a highly oriented carbon fiber pretreated according to embodiment 1 electrochemical pH sensor. A pretreatment of highly oriented carbon fibers according to embodiment 1 also leads to a considerable increase in the hydrophilicity Character of these fibers. The better wettability in electrolyte solutions that can be achieved in this way is e.g. for the construction of conductivity sensors or for the construction of stimulation electrodes is an advantage.
Handelsübliche Kohlenstoffelektroden haben einen Durchmesser von 5 bis 10 Mikrometer; sie erlauben somit die Konstruktion erheblich miniaturisierter Sensoren.Commercially available carbon electrodes have a diameter of 5 up to 10 micrometers; they thus allow the construction to be considerably more miniaturized Sensors.
Weiterhin kann durch geeignete kohlenstoffabtragende Reaktionen der Durchmesser von Kohlenstoffasern gezielt herabgesetzt werden. Bringt man z.B. in Gegenwart von Sauerstoff ein Ende einer Kohlenstoffaser an eine Hitzequelle, so wird entsprechend dem Temperaturgradienten in der Faser, also z.B. mit zunehmendem Abstand von der Hitzequelle, der Kohlenstoff immer langsamer abgetragen. So können Spitzen geformt werden, bei denen etwa ein Ausgangsdurchmesser von ca. 10 Mikrometer auf einer Strecke von ca. 300 Mikrometer gleichmäßig bis auf praktisch Null abgetragen wird.Furthermore, by means of suitable carbon-removing reactions, the Targeted diameter of carbon fibers be reduced. Brings for example, in the presence of oxygen, one end of a carbon fiber is attached to a heat source, so is according to the temperature gradient in the fiber, e.g. with increasing Distance from the heat source, the carbon is removed more and more slowly. So can Tips are shaped, which have an initial diameter of approximately 10 micrometers removed evenly down to practically zero over a distance of approx. 300 micrometers will.
Die erfindungsgemäßen potentiometrischen Mikrosensoren sind durch eine elektronenleitende Verbindung von Meßgerät bzw. vom Verstärker bis in die Spitze des Sensors gekennzeichnet. Dadurch ist eine Verbesserung des Signal/Rauschverhältnisses im Vergleich zu den herkömrrilichen Elektroden möglich. Typische ohmsche Widerstände einzelner vorbehandelter Kohlenstoffasern mit ca. 10 Mikrometer Durchmesser liegen im Bereich 1000 Ohm/cm Faserlänge.The potentiometric microsensors according to the invention are through an electron-conducting connection from the measuring device or from the amplifier to the tip of the sensor. This improves the signal-to-noise ratio possible compared to conventional electrodes. Typical ohmic resistances individual pretreated carbon fibers with a diameter of approx. 10 micrometers in the range of 1000 Ohm / cm fiber length.
Benutzt man die erfindungsgemäß vorbehandelten Kohlenstoffelektroden als Matrix für den Aufbau von Referenzelektroden (also z.B. zum Aufbau einer Ag/AgCl-Elektrode in KCl-Lösung) so erhält man eine voll funktionsfähige Mikroreferenzelektrode, sofern man noch ein poröses Diaphragma (z.B. durch Eintauchen in Lösungen von Polyvinylchlorid (PVC) in Tetrahydrofuran) aufbringt. Das Einbringen der zum Aufbau des Referenzsystems notwendigen Komponenten kann auf vielfache Weise erfolgen. Beispielsweise aber nicht einschränkend werden Kohlenstoffasern nach wiederholter oxidativer Interkalation/reduktiver Deinterkalation in 96% Schwefelsäure mit Wasser gewaschen und im Vakuum getrocknet. Anschließend wird z.B. in eine ethanolische Lösung von Silbernitrat getaucht und nach nochmaligem Trocknen im Vakuum mit HCl-Gas oder wässriger Lösung von HC1 behandelt. Das sich so bildende Silberchlorid wird z.B. mit stark verdünnter wässriger Lösung von Hydrazin oder durch UV-Bestrahlung partiell zu Silber reduziert. Nach einem weiteren Trocknungsvorgang wird in eine konzentrierte Lösung von KC1 in Wasser getaucht und schließlich mit einem porösen Diaphragma abgedeckt.The carbon electrodes pretreated according to the invention are used as a matrix for the construction of reference electrodes (e.g. for the construction of an Ag / AgCl electrode in KCl solution) a fully functional micro-reference electrode is obtained, provided that a porous diaphragm (e.g. by immersion in solutions of polyvinyl chloride (PVC) in tetrahydrofuran). Bringing in the building blocks for the reference system necessary components can be done in many ways. For example, but not limiting, carbon fibers become more restrictive after repeated oxidative intercalation / reductive Deintercalation washed in 96% sulfuric acid with water and dried in vacuo. Then, for example, it is immersed in an ethanolic solution of silver nitrate and after drying again in vacuo with HCl gas or aqueous solution from HC1 treated. The silver chloride thus formed is, for example, strongly diluted with aqueous solution of hydrazine or partially reduced to silver by UV radiation. After another drying process, a concentrated solution of KC1 immersed in water and finally covered with a porous diaphragm.
Die Haftung hydrophober poröser Diaphragmen, z.B. auf PVC-Basis, auf den vorbehandelten Kohlenstoffasern läßt sich drastisch verbessern, wenn z.B. durch die Umsetzung mit Trichlormethylsilan oder anderen bekannten Haftvermittlern oder Kupplungsreagenzien (E.P.The adhesion of hydrophobic porous diaphragms, e.g. based on PVC The pretreated carbon fibers can be improved drastically if, for example, by the implementation with trichloromethylsilane or other known adhesion promoters or Coupling reagents (E.P.
Plueddemann, Silane Coupling Agents, Plenum Press, New York, 1982) hydrophobiert wird. Eine so erhaltene Mikroreferenzelektrode kann nicht nur als selbstständige Referenzelektrode, sondern auch als "Innensystem" einer ionenselektiven Elektrode verwendet werden. Dazu muß in bekannter Weise (A.K. Covington, Ion-Seiective Electrode Methodology, Volumes I und II, CRC Press, Boca Raton, 1980) eine ionenselektive Membran auf die Mikroreferenzelektrode aufgebracht werden. Zwischen der ionenselektiven Membran und der Mikroreferenzelektrode muß eine Innenlösung eingebracht werden, die das mit der Elektrode zu messende Ion in konstanter Konzentration enthält. Wird die Mikroreferenzelektrode als Innensystem einer ionenselektiven Membranelektrode verwendet, so kann auf das oben beschriebene poröse Diaphragma auch verzichtet werden. Selbstverständlich können die erfindungsgemäßen Mikroreferenzelektroden nicht nur als Innensystem in konventionellen ionenselektiven Elektroden, sondern auch z.B. in Enzymelektroden oder in sog. ~Immunelektroden" verwendet werden.Plueddemann, Silane Coupling Agents, Plenum Press, New York, 1982) is hydrophobized. A micro reference electrode obtained in this way can not only be used as independent reference electrode, but also as an "inner system" of an ion-selective Electrode can be used. To do this, in a known manner (A.K. Covington, Ion-Seiective Electrode Methodology, Volumes I and II, CRC Press, Boca Raton, 1980) an ion-selective Membrane can be applied to the micro reference electrode. Between the ion-selective An internal solution must be introduced into the membrane and the micro-reference electrode, which contains the ion to be measured with the electrode in constant concentration. Will the micro-reference electrode as the inner system of an ion-selective membrane electrode is used, the porous diaphragm described above can also be dispensed with. Of course, the micro-reference electrodes according to the invention can not only as an internal system in conventional ion-selective electrodes, but also e.g. in enzyme electrodes or in so-called "immune electrodes".
Die erfindungsgemäßen ionenselektiven Mikroelektroden sind nicht zu verwechseln mit ionenselektiven sog.The ion-selective microelectrodes according to the invention are not to be confused with ion-selective so-called
"Coated wire" Elektroden, d.h. Elektroden, bei denen die ionenselektive Membran einfach auf einen Metalldraht als primitives Innensytem aufgebracht wird."Coated wire" electrodes, i.e. electrodes in which the ion-selective Membrane is simply applied to a metal wire as a primitive internal system.
Da das Bezugsystem solcher "Coated wire" Elektroden nicht stabil ist, sind solche Elektroden vorzugsweise für Relativmessungen geeignet. Im Gegensatz dazu sind die erfindungsgemäßen ionenselektiven Mikroelektroden mit einem kompletten potentialstabilen Innensystem ausgestattet. Selbstverständlich können behandelte oder unbehandelte Kohlenstoffasern ohne Beladung mit den Komponenten eines potentialstabilen Referenzsystems, insbesondere nach Spitzenbildung durch die oben erwähnte Oxidation im Temperaturgradienten, auch als Innensystem in "Coated wire analogen" ionenselektiven Elektroden verwendet werden.Since the reference system of such "coated wire" electrodes is not stable, such electrodes are preferably suitable for relative measurements. In contrast for this purpose, the ion-selective microelectrodes according to the invention are provided with a complete indoor system with stable potential. Of course you can be treated or untreated carbon fibers without being loaded with the components of a stable potential Reference system, especially after peak formation due to the above-mentioned oxidation in the temperature gradient, also as an internal system in "coated wire analogue" ion-selective Electrodes are used.
Die vergrößerte Oberfläche der erfindungsgemäß vorbehandelten Kohlenstoffasern sowie die Einführung funktioneller Gruppen ist vor allem dann essentiell, wenn elektrisch aktive Materialien, insbesondere elektrokatalytisch aktive Materialien, auf die Elektrodenoberfläche aufgebracht werden sollen. Beispielsweise, aber nicht einschränkend, seien hier Phthalocyanine (N. Kobayashi, M. Fujihira, T. Osa, S. Dong, Chem.The enlarged surface of the carbon fibers pretreated according to the invention as well as the introduction of functional groups is essential especially when electrical active materials, in particular electrocatalytically active materials, on the Electrode surface are to be applied. For example, but not by way of limitation, phthalocyanines (N. Kobayashi, M. Fujihira, T. Osa, S. Dong, Chem.
Lett., (1982) 575) oder hochdisperse Edelmetalle (J.O.Lett., (1982) 575) or finely divided precious metals (J.O.
Besenhard, E. Theodoridou, H. Möhwald, J.J. Nickl, Synth. Met., 4 (1982) 211) genannt. Auch die durch Silanisieren hydrophobierten Kohlenstoffelektroden mit ihren interessanten Adsorptionseigenschaften ( E.Besenhard, E. Theodoridou, H. Möhwald, J.J. Nickl, synth. Met., 4 (1982) 211) mentioned. Also the carbon electrodes made hydrophobic by silanization with their interesting adsorption properties (E.
Theodoridou, J.O. Besenhard, H.P. Fritz, J. Electroanal. Chem., 124 (1981) 87) seien hier erwähnt.Theodoridou, J.O. Besenhard, H.P. Fritz, J. Electroanal. Chem., 124 (1981) 87) are mentioned here.
Insbesondere in bekannter Weise mit hochdispersen Edelmetallen belegte Kohlenstoffelektroden eignen sich zur Konstruktion amperometrischer Mikrosensoren für Sauer- stoff. Selbstverständlich können auch andere amperometrische Sensoren analog miniaturisiert werden. Herkömmliche, mit hochdispersen Edelmetallen belegte Kohlenstoffelektroden, werden aus mechanisch wenig stabilen Materialien (z.B. Aktivkohle bzw. Aktivkohle/ Ruß-Gemisch) aufgebaut und können daher nur bedingt miniaturisiert werden. Die extreme Miniaturisierung der erfindungsgemäßen Elektroden erlaubt die Konstruktion von Multifunktionselektroden, in denen mehrere Sensorelektroden oder auch Zuführungselektroden in einer Einheit zusammengefaßt sind. Bei potentiometrischen Sensoren genügt dann eine Referenzelektrode um alle Sensoren abzufragen - zweckmäßigerweise mit einer Multiplexschaltung. Um eine störungsfreie Übertragung von Meßsignalen zu gewährleisten, empfielt es sich, die Signalverstärkung nahe der Spitze von Sensorelektroden vorzunehmen. Bei potentiometrischen Sensoren wird hier zweckmäßigerweise die Kohlenstoffelektrode direkt an das "gaze" eines Feldeffekttransistors geführt.In particular, coated in a known manner with highly disperse noble metals Carbon electrodes are suitable for the construction of amperometric microsensors for sour material. Of course, other amperometric Sensors are miniaturized analog. Conventional, with highly dispersed precious metals Coated carbon electrodes are made from mechanically unstable materials (e.g. activated carbon or activated carbon / soot mixture) and can therefore only be used to a limited extent be miniaturized. The extreme miniaturization of the electrodes according to the invention allows the construction of multifunctional electrodes in which several sensor electrodes or supply electrodes are combined in one unit. With potentiometric Sensors then a reference electrode is sufficient to interrogate all sensors - expediently with a multiplex circuit. To ensure interference-free transmission of measurement signals To ensure that the signal amplification is close to the tip of the sensor electrodes to undertake. In the case of potentiometric sensors, the carbon electrode is expediently used here led directly to the "gauze" of a field effect transistor.
Beispiel 1 Hochorientierte Kohlenstoffaseren aus einem Polyacrylnitrl "Precursor" (z.B. Celion GY 70, Celanese Cord. Example 1 Highly oriented carbon fiber from a polyacrylonitrile "Precursor" (e.g. Celion GY 70, Celanese Cord.
U.S.A.) werden (in Form eines Bündels von ca. 4 cm Länge, wovon ca. 2 cm von der Elektrolytlösung benetzt werden) in 96% Schwefelsäure, ausgehend von einem Potenial von -0.7 V gegen eine gesättigte wässrige Kalomelelektrode mit einer Potentialänderungsgeschwindigkeit von 2,5 mV/s auf ein Potential von +2,1 V gebracht und mit der gleichen Potentialänderungsgeschwindigkeit auf -0,7 V "zurückgefahren". Dieser Vorgang wird anschließend zweimal unverändert wiederholt; in der dritten Wiederholung des Vorgangs wird der Potentialverlauf schon bei 0 V abgebrochen. Die Fasern werden dann ca. 15 Stunden mit Wasser ausgewaschen und kurz bei Raumtemperatur im Vakuum getrocknet. In diesem Stadium der Vorbehandlung stellen die Fasern einen potentiometrischen pH-Sensor dar.U.S.A.) (in the form of a bundle approx. 4 cm long, of which approx. 2 cm of the electrolyte solution are wetted) in 96% sulfuric acid, starting from a potential of -0.7 V against a saturated aqueous calomel electrode with a Rate of change in potential of 2.5 mV / s brought to a potential of +2.1 V. and "reduced" to -0.7 V at the same rate of potential change. This process is then repeated twice unchanged; in the third If the process is repeated, the potential curve is aborted at 0 V. the Fibers are then washed out with water for about 15 hours and briefly at Room temperature dried in vacuo. Ask at this stage of the pretreatment the fibers represent a potentiometric pH sensor.
Nach dreistündigem Eintauchen der Fasern in eine gesättigte Lösung von Silbernitrat wird kurz mit Methanol gespült und 1 bis 2 Minuten bei Raumtemperatur ge-0 trocknet. Die Fasern werden nun eine Stunde bei 40 C in eine gesättigte Lösung von KCl in Wasser getaucht; nach der Entnahme läßt man ohne vorheriges Spülen an Luft trocknen. Anschließend wird mit UV-Licht 2 Minuten bestrahlt.After immersing the fibers in a saturated solution for three hours of silver nitrate is briefly rinsed with methanol and 1 to 2 minutes at room temperature dried-0. The fibers are now in a saturated solution at 40 ° C. for one hour immersed in water by KCl; after removal, it is started without rinsing beforehand Air dry. It is then irradiated with UV light for 2 minutes.
Zum Aufbringen des Diaphragmas werden dem vorbehandelten Faserbündel Einzelfasern entnommen und auf einer Länge von ca. 1 cm in eine Lösung von 0,2 g PVC LAAE Kat.Nr. 18956-1) und 0,2 g p-Nitrophenyloctylether (Fluka Kat.Nr. 732) in 10 ml Tetrahydrofuran eingetaucht. Der Eintauchvorgang wird zweckmäßigerweise mehrfach wiederholt; zwischen den Wiederholungen sollten Wartezeiten von einigen Minuten liegen.The pretreated fiber bundle is used to apply the diaphragm Individual fibers are removed and placed over a length of approx. 1 cm in a solution of 0.2 g PVC LAAE Cat.No. 18956-1) and 0.2 g p-nitrophenyloctyl ether (Fluka Cat. No. 732) immersed in 10 ml of tetrahydrofuran. The immersion process is expedient repeated several times; between repetitions there should be waiting times of some Minutes.
Das unvorbehandelte Ende der Einzelfaser wird nun z.B.The untreated end of the single fiber is now e.g.
mit "Leitsilber" oder einer goldgefüllten Epoxydpaste (z.B. Fa. Polytec, EPO-TEK H 40) an eine beliebige Ableitung kontaktiert. Die Kontaktstelle, sowie der nicht von Diaphragma bedeckte Teil der Faser wird zweckmäßigerweise mit einem Isolierlack (z.B. Fa.with "conductive silver" or a gold-filled epoxy paste (e.g. from Polytec, EPO-TEK H 40) to any derivation. The contact point, as well the part of the fiber not covered by the diaphragm is expediently covered with a Insulating varnish (e.g. Fa.
Blasberg, PODR Galvanic-Abdecklack) beschichtet.Blasberg, PODR Galvanic cover varnish) coated.
Elektroden nach diesem Ausführungsbeispiel zeigen nach Konditionieren in wässrigen Chloridlösungen gegenüber konventionellen Ag/AgCl-Referenzelektroden mit gesättigter KCl-lösung ein stabiles Potential von praktisch Null Volt.Electrodes according to this embodiment show after conditioning in aqueous chloride solutions compared to conventional Ag / AgCl reference electrodes a stable potential of practically zero volts with saturated KCl solution.
Beispiel 2 Mikroreferenzelektroden gemäß Beispiel 1 werden 48 Stunden an Luft getrocknet und anschließend kurz in eine Lösung von 0,025 mg Kaliumtetraphenylborat und 1,5 mg Valinomycin (Fluka Kat.Nr. 94675) in einem Gemisch von 2 ml Diphenylether (Merck, Kat.Nr. 820978) und 1 ml Tetrahydrofuran getaucht. Dieser Eintauchvorgang wird zweckmäßigerweise nach ca. 15 Minuten wiederholt. Nach 12-stündigem Trocknen an Luft und Konditionieren in einer 0,001 molaren Lösung von KCl in 0,5 molarer wässriger NaC1-Lösung spricht diese Elektrode auf die Kaliumionenaktivität in einer Meßlösung entsprechend der Nernst'schen Gleichung an. Example 2 Micro reference electrodes according to Example 1 are used for 48 hours dried in air and then briefly in a solution of 0.025 mg potassium tetraphenylborate and 1.5 mg valinomycin (Fluka Cat. No. 94675) in a mixture of 2 ml diphenyl ether (Merck, Cat. No. 820978) and 1 ml of tetrahydrofuran. This immersion process is expediently repeated after approx. 15 minutes. After drying for 12 hours in air and conditioning in a 0.001 molar solution of KCl in 0.5 molar aqueous NaCl solution, this electrode responds to the potassium ion activity in a Solution according to the Nernst equation.
Beispiel 3 Eine Mikroreferenzelektrode wird gemäß Beispiel 1 hergestellt, wobei allerdings auf das Aufbringen des PVC-Diaphragmas verzichtet wird. Die lufttrockenen mit Silbernitrat behandelten Fasern werden stattdessen mehrfach in eine 10%ige wässrige Lösung von Polyvinylalkohol (mark, Kat.Nr. 221038) getaucht, die 0,01 molar an KCl ist. Anschließend wird unverzüglich in eine Lösung von 1 mg/ml Valinomycin, 14 Gew% Dipentylphthalat und 6 Gew% PVC in Cyclohexanon getaucht. Auch dieser Tauchvorgang wird zweckmäßigerweise mehrfach wiederholt. Nach 24-stündiger Trocknung an Luft wird die Elektrode gemäß Beispiel 1 isoliert und kontaktiert. Nach Konditionierung gemäß Beispiel 2 erhält man eine kaliumspezifische Elektrode mit Nernst'scher Charakteristik. Example 3 A micro reference electrode is produced according to Example 1, However, the application of the PVC diaphragm is dispensed with. The air dry Fibers treated with silver nitrate are instead repeatedly poured into a 10% aqueous Immersed solution of polyvinyl alcohol (Mark, Cat.No. 221038) containing 0.01 molar of KCl is. Then immediately in a solution of 1 mg / ml valinomycin, 14 wt% Dipentyl phthalate and 6 wt% PVC immersed in cyclohexanone. Also this diving process is expediently repeated several times. After drying in air for 24 hours the electrode according to Example 1 is insulated and contacted. After conditioning according to example 2, a potassium-specific electrode with Nernst characteristics is obtained.
Beispiel 4 Kohlenstoffasern werden nach der Vorbehandlung in 96% Schwefelsäure gemäß Beispiel 1 fünfzehn Stunden mit Wasser gewaschen und anschließend im Vakuum getrocknet. Example 4 After pretreatment, carbon fibers are 96% Washed sulfuric acid according to Example 1 with water for fifteen hours and then dried in vacuum.
Die getrockneten Fasern werden für 1 Minute in eine 15%ige Lösung von n-Butyllithium in Hexan (Merck, Kat.Nr. 801660) getaucht und anschließend mit Hexan gewaschen. Alternativ kann auch in eine 5%ige Lösung von Trimethylchlorsilan (Merck, Kat.Nr. 2333) in Benzol getaucht werden. Anschließend wird gemäß Beispiel 1 vorgegangen, wobei die Behandlung mit nichtwässrigen Lösungen von Silbernitrat (z.B. in Ethanol oder Acetonitril) vorzuziehen ist.The dried fibers are placed in a 15% solution for 1 minute dipped in n-butyllithium in hexane (Merck, Cat.No. 801660) and then with Washed hexane. Alternatively, you can also use a 5% solution of trimethylchlorosilane (Merck, Cat. No. 2333) can be immersed in benzene. Then according to the example 1 proceeded, the treatment with non-aqueous solutions of silver nitrate (e.g. in ethanol or acetonitrile) is preferable.
Die Behandlung nach Beispiel 4 kann sowohl für die Herstellung von Referenzelektroden als auch für die Herstellung von ionenselektiven Elektroden verwendet werden.The treatment according to Example 4 can be used both for the production of Reference electrodes are also used for the production of ion-selective electrodes will.
Beispiel 5 Celion GY 70 Kohlenstoffasern werden in 50%iger Perchlorsäure einem Potentialverlauf entsprechend Beispiel 1 unterworfen. Dazu verfährt man analog Beispiel 1; man erhält eine Ag/AgCl-Referenzelektrode mit stabilem Potential. Example 5 Celion GY 70 carbon fibers are made in 50% perchloric acid subjected to a potential curve according to Example 1. To do this, one proceeds analogously Example 1; an Ag / AgCl reference electrode with a stable potential is obtained.
Beispiel 6 Nach Vorbehandlung in 96%iger Schwefelsäure bzw. in 50%iger Perchlorsäure gemäß Beispiel 1 bzw. 5 werden die Fasern 5 Stunden in Wasser gewaschen und anschließend kurz im Vakuum einer Wasserstrahlpumpe ge- trocknet. Anschließend taucht man die Fasern 5 Stunden in eine gesättigte wässrige Lösung von Silbernitrat und wäscht dann kurz in Wasser. In einer elektrochemischen Zelle (Elektrolyt: 1 molares Natriumsulfat) bringt man die so vorbehandelten Fasern für 30 Sekunden auf das Potential der beginnenden Wasserstoffentwicklung. Man erhält eine Abscheidung von hochdispersem Silber, da aufgrund kationenaustauschender Eigenschaften der vorbehandelten Fasern ein Teil des Silbers in schwer auswaschbarer Form in den Fasern gebunden geblieben war. Example 6 After pretreatment in 96% strength sulfuric acid or in 50% strength Perchloric acid according to Example 1 or 5, the fibers are washed in water for 5 hours and then briefly in the vacuum of a water jet pump dries. The fibers are then immersed in a saturated aqueous solution for 5 hours of silver nitrate and then washes briefly in water. In an electrochemical cell (Electrolyte: 1 molar sodium sulfate) you bring the pretreated fibers for 30 seconds to the potential of the beginning hydrogen evolution. You get a deposition of highly dispersed silver, because of its cation-exchanging properties of the pretreated fibers part of the silver in a form that is difficult to wash out in the Fibers remained bound.
Ähnlich wie Silber können auch andere Metalle hochdispers auf Kohlenstoffasern aufgebracht werden.Similar to silver, other metals can also be highly dispersed on carbon fibers be applied.
Silber- oder goldbelegte Fasern dieser Art sind hochaktive Mikrokatalysatorelektroden für die Reduktion von Sauerstoff. Sie können z.B. für die amperometrische Bestimmung von Sauerstoff in wässrigen Lösungen eingesetzt werden. Kontaktierung und Isolierung der Elektroden erfolgt nach Beispiel 1.Silver- or gold-coated fibers of this type are highly active microcatalyst electrodes for the reduction of oxygen. You can use e.g. for amperometric determination of oxygen in aqueous solutions. Contacting and insulation the electrodes are carried out according to Example 1.
Beispiel 7 Mikrokatalysatorelektroden, die anstelle freier Metalle Metallkomplexe vom Phthalocyanin- bzw. Porphyrin-Typ enthalten, lassen sich analog Beispeil 6 herstellen, wenn die entsprechenden Metallkomplexe in kationischer Form eingesetzt werden. Ausgehend von Fasern, die entsprechend Beispiel 6 in starken Säuren vorbehandelt und anschließend gewaschen wurden, läßt sich so der Fe(II)-Komplex des meso-Tetra(4-N-methylpyridyl)porphyrintetrajodids (Alfa, Kat.Nr. 11335) aus methanolischer Lösung auf die vorbehandelten Fasern aufbringen. Example 7 Microcatalyst electrodes that replace free metals Containing metal complexes of the phthalocyanine or porphyrin type can be analogous Prepare example 6 if the corresponding metal complexes are in cationic form can be used. Starting from fibers, which according to Example 6 in strong Acids have been pretreated and then washed, so the Fe (II) complex can be of meso-tetra (4-N-methylpyridyl) porphyrin tetraiodide (Alfa, Cat.No. 11335) Apply methanolic solution to the pretreated fibers.
Die so erhaltenen Elektroden katalysieren die Sauerstoffreduktion, sie können als Mikrosensoren für die amperometrische Sauerstoffbestimmung oder auch für die Sauerstoffelektrode in Brennstoffzellen benutzt werden.The electrodes obtained in this way catalyze the reduction of oxygen, they can be used as microsensors for amperometric oxygen determination or also can be used for the oxygen electrode in fuel cells.
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